一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片及其制备方法和应用 (Micro-fluidic chip for preparing polyelectrolyte microcapsules by using aqueous two-phase system and preparation method and application thereof ) 是由 秦建华 刘海涛 赵孟乾 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片。该芯片为上下两层结构,上层为液路部分,由含聚电解质I的反应相入口,反应相通道,连续相入口,连续相通道,上层压缩空气入口,含聚电解质II的分散相入口,分散相通道,气动阀作用区,液滴运输通道,微囊形成通道,微囊出口组成；下层为气路部分,由下层压缩空气入口,气体通道,气动泵阀组成。该芯片基于传统的流动聚焦型微流控液滴芯片,集成气动泵阀系统制成。本发明可用于在双水相体系中一步原位制备聚电解质微囊。通过调节各入口液体流速、泵阀开关周期等参数可以得到预期尺寸的聚电解质微囊。该芯片有望在生物活性物质包封、药物负载与递送、细胞3D培养支架制备等生物学应用中发挥作用。(The invention provides a micro-fluidic chip for preparing polyelectrolyte microcapsules by using a two-aqueous-phase system. The chip is of an upper-layer and lower-layer structure, the upper layer is a liquid path part and consists of a reaction phase inlet containing polyelectrolyte I, a reaction phase channel, a continuous phase inlet, a continuous phase channel, an upper-layer compressed air inlet, a dispersed phase inlet containing polyelectrolyte II, a dispersed phase channel, a pneumatic valve action area, a droplet transportation channel, a microcapsule forming channel and a microcapsule outlet; the lower layer is a gas path part and consists of a lower layer compressed air inlet, a gas channel and a pneumatic pump valve. The chip is manufactured by integrating a pneumatic pump valve system based on a traditional flow focusing type micro-fluidic droplet chip. The method can be used for preparing the polyelectrolyte microcapsule in situ in a double aqueous phase system by one step. The polyelectrolyte microcapsule with expected size can be obtained by adjusting parameters such as flow rate of liquid at each inlet, switching period of a pump valve and the like. The chip is expected to play a role in biological applications such as bioactive substance encapsulation, drug loading and delivery, cell 3D culture scaffold preparation and the like.)
技术领域
本发明属于微流控技术、材料化学等领域，具体涉及一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片。
背景技术
聚电解质是一类表面具有大量的剩余电荷的高分子物质，具有不同带电特性的两种聚电解质可直接在水溶液中发生静电络合反应，得到复合的聚合物。该类聚合物的形貌可以是薄膜、微球和微囊等，由于其良好的生物相容性和机械强度被广泛应用于食品工程、药物载体、组织工程等领域。
在多种形貌的聚电解质类复合材料中，微囊被认为是一种很好的微型载体，可以用于药物、细菌、细胞等的负载和递送，在生物、医学、药学等领域具有广阔的应用前景。但传统的聚电解质微囊成型法往往涉及多步操作，首先需制备实心的聚电解质微球，然后在微球表面层层组装带相反电荷的聚电解质，最后再将内部的微球溶解得到空心微囊。这样的制备过程复杂、耗时，且对被负载物的损伤大、负载效率低，不利于微囊的广泛应用。
近年来，微流控液滴技术得到了长足的发展，可以精确制备出多种不同形貌的功能化微球和微囊，在材料学、生物学和药学等领域做出了很大的贡献。而将双水相体系引入微流控液滴领域，使得制备形貌更复杂的微球和微囊成为了可能。并且得益于微流控技术精确可控和易集成等优势，这些制备的产物产业化的可能性大大增加。本发明基于传统的流动聚焦型液滴微流控芯片，集成了气动泵阀体系，设计并制备了一种可以用于原位一步法合成聚电解质微囊的微流控芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于常规软光刻方法，集成了气动泵阀的用于可原位一步制备聚电解质微囊的微流控芯片。
本发明一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片，该芯片包含上下两层结构：上层为液路部分，由含聚电解质Ⅰ的反应相入口，反应相通道，连续相入口，连续相通道，上层压缩空气入口，含聚电解质II的分散相入口，分散相通道，气动阀作用区，液滴运输通道，微囊形成通道和微囊出口组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口，气体通道和气动泵阀组成；
所述芯片中含聚电解质Ⅰ的反应相入口经反应相通道和微囊形成通道与微囊出口相连；连续相入口经连续相通道，液滴运输通道和微囊形成通道与微囊出口相连；上层压缩空气入口用于引入控制下层气路的压缩空气；含聚电解质II的分散相入口经分散相通道，气动阀作用区，液滴运输通道和微囊形成通道与微囊出口相连；下层压缩空气入口与上层压缩空气入口位置相对，经气体通道与气动泵阀相连。
所述芯片中四种流体的流动顺序为：反应相液体由反应相入口进入芯片，先后经反应相通道、微囊形成通道到达微囊出口；连续相液体由连续相入口进入芯片，先后经过连续相通道、液滴运输通道、微囊形成通道到达微囊出口；分散相液体由分散相入口进入芯片，先后经过分散相通道、气动阀作用区、液滴运输通道、微囊形成通道到达微囊出口；压缩空气由上层空气入口进入芯片，先后经过下层空气入口、气体通道到达气动泵阀；其中的气动泵阀直径为0.5-2mm，其上壁比气体通道上壁薄200-500μm，可在气体鼓吹的情况下发生弹性形变，从而扰动上层液路中的分散相流体。
上层芯片反应相通道和微囊形成通道宽度100-400μm，微囊形成通道长1-4cm；连续相通道、分散相通道和液滴运输通道宽度为50-250μm，所有上层芯片通道高度均为100-300μm；下层芯片通道高度和宽度均为：50-300μm。
本发明提供一种微流控芯片的制备方法，该方法为：利用常规软光刻的方法，首先在单晶硅片或无尘玻璃片上制备出SU-8光刻胶的模板，然后将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体倾倒在SU-8光刻胶模板上，经80℃加热1-3小时的交联聚合后，制备出PDMS芯片；该芯片基于传统的流动聚焦型微流控液滴芯片，集成了下层的气动泵阀系统而制成。
本发明提供一种基于上述微流控芯片制备聚电解质微囊的方法，分散相通道7与连续相通道4汇聚到液滴运输通道9处形成流动聚焦的交叉口；气动泵阀14的位置在气动阀作用区8的正下方，通过泵阀充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定高效地形成双水相液滴；液滴携带着聚电解质Ⅱ在微囊形成通道10与反应相携带的聚电解质Ⅰ相遇，在分子扩散的作用下，两种具有相反电荷的聚电解质在液滴表面附近发生静电络合，从而可形成聚电解质微囊。
所述芯片是利用常规软光刻的方法而成的PDMS芯片。该芯片基于传统的流动聚焦型微流控液滴芯片，集成了下层的气动泵阀系统而制成；其中分散相通道与连续相通道汇聚到液滴运输通道处形成流动聚焦的交叉口；气动泵阀的位置在气动阀作用区的正下方，通过泵阀充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定高效地形成双水相液滴；液滴携带的聚电解质Ⅱ在微囊形成通道与反应相携带的聚电解质I相遇，在分子扩散的作用下，两种具有相反电荷的聚电解质在液滴表面附近发生静电络合，从而可形成聚电解质微囊。
本发明有益效果：
本发明可以大大简化聚电解质微囊的制备过程，并增加制备过程的可控性。通过调节各相流体的流速、泵阀开关周期等可得到稳定均一的聚电解质微囊。该芯片有望在蛋白质、益生菌和细胞等生物活性物质的负载和递送中发挥作用。
附图说明
图1用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片示意图，其中：a上层液路芯片；b下层气路芯片；c两层芯片结合总图。
其中：1含聚电解质Ⅰ的反应相入口；2反应相通道；3连续相入口；4连续相通道；5上层压缩空气入口；6含聚电解质Ⅱ的分散相入口；7分散相通道；8气动泵阀作用区，9液滴运输通道；10微囊形成通道；11微囊出口；12下层压缩空气入口(与a中上层压缩空气入口5重合)；13气体通道；14气动泵阀。
图2是实施例2中用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片实物图。
具体实施方式
先根据实际需要，设计和加工尺寸适宜的微流控芯片；然后利用常规软光刻技术制备相应芯片，并结合泵阀操控系统，对微囊的产生和尺寸等进行调控。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片，如图1所示，该芯片包含上下两层结构：上层为液路部分，由含聚电解质Ⅰ的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含聚电解质Ⅱ的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10和微囊出口11组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口12，气体通道13和气动泵阀14组成；
含聚电解质Ⅰ的反应相入口1经反应相通道2和微囊形成通道10与微囊出口11相连；连续相入口3经连续相通道4，液滴运输通道9和微囊形成通道10与微囊出口11相连；上层压缩空气入口5用于引入控制下层气路的压缩空气；含聚电解质Ⅱ的分散相入口6经分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9和微囊形成通道10与微囊出口相连；下层压缩空气入口12与上层压缩空气入口5位置相对，经气体通道13与气动泵阀14相连；
芯片中四种流体的流动顺序为：反应相液体由反应相入口1进入芯片，先后经反应相通道2、微囊形成通道9到达微囊出口11；连续相液体由连续相入口3进入芯片，先后经过连续相通道4、液滴运输通道9、微囊形成通道10到达微囊出口11；分散相液体由分散相入口6进入芯片，先后经过分散相通道7、气动阀作用区8、液滴运输通道9、微囊形成通道10到达微囊出口11；压缩空气由上层空气入口5进入芯片，先后经过下层空气入口12、气体通道13到达气动泵阀14；其中的气动泵阀直径为2mm，其上壁比气体通道上壁薄500μm，可在气体鼓吹的情况下发生弹性形变，从而扰动上层液路中的分散相流体。
上层芯片反应相通道和微囊形成通道宽度400μm，微囊形成通道长4cm；连续相通道、分散相通道和液滴运输通道宽度为200μm，所有上层芯片通道高度均为300μm。下层芯片通道高度和宽度均为300μm；
该芯片是利用常规软光刻的方法而成的PDMS芯片。基于传统的流动聚焦型微流控液滴芯片，集成了下层的气动泵阀系统而制成；其中分散相通道7与连续相通道4汇聚到液滴运输通道9处形成流动聚焦的交叉口；气动泵阀14的位置在气动阀作用区8的正下方，通过泵阀14充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道7，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定高效地形成水包水液滴；液滴携带的聚电解质Ⅱ在微囊形成通道10与反应相携带的聚电解质Ⅰ相遇，在分子扩散的作用下，两种具有相反电荷的聚电解质在液滴表面附近发生静电络合，从而可形成聚电解质微囊。
实施例2
一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片，该芯片包含上下两层结构：上层为液路部分，由含聚电解质Ⅰ的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含聚电解质Ⅱ的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10和微囊出口11组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口12，气体通道13和气动泵阀14组成；
含聚电解质Ⅰ的反应相入口1经反应相通道2和微囊形成通道10与微囊出口11相连；连续相入口3经连续相通道4，液滴运输通道9和微囊形成通道10与微囊出口11相连；上层压缩空气入口5用于引入控制下层气路的压缩空气；含聚电解质Ⅱ的分散相入口6经分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9和微囊形成通道10与微囊出口11相连；下层压缩空气入口12与上层压缩空气入口5位置相对，经气体通道13与气动泵阀14相连；
芯片中四种流体的流动顺序为：反应相液体由反应相入口1进入芯片，先后经反应相通道2、微囊形成通道9到达微囊出口11；连续相液体由连续相入口3进入芯片，先后经过连续相通道4、液滴运输通道9、微囊形成通道10到达微囊出口11；分散相液体由分散相入口6进入芯片，先后经过分散相通道7、气动阀作用区8、液滴运输通道9、微囊形成通道10到达微囊出口11；压缩空气由上层空气入口5进入芯片，先后经过下层空气入口12、气体通道13到达气动泵阀14；其中的气动泵阀直径为1mm，其上壁比气体通道上壁薄400μm，可在气体鼓吹的情况下发生弹性形变，从而扰动上层液路中的分散相流体。
上层芯片反应相通道和微囊形成通道宽度250μm，微囊形成通道长2cm；连续相通道、分散相通道和液滴运输通道宽度为150μm，所有上层芯片通道高度均为200μm。下层芯片通道高度和宽度均为200μm；
如图2所示的芯片是利用常规软光刻的方法而成的PDMS芯片。基于传统的流动聚焦型微流控液滴芯片，集成了下层的气动泵阀系统而制成；其中分散相通道7与连续相通道4汇聚到液滴运输通道9处形成流动聚焦的交叉口；气动泵阀14的位置在气动阀作用区8的正下方，通过泵阀14充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道7，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定高效地形成水包水液滴；液滴携带的聚电解质Ⅱ在微囊形成通道10与反应相携带的聚电解质Ⅰ相遇，在分子扩散的作用下，两种具有相反电荷的聚电解质在液滴表面附近发生静电络合，从而可形成聚电解质微囊。
实施例3
一种用双水相体系制备聚电解质微囊的微流控芯片，该芯片包含上下两层结构：上层为液路部分，由含聚电解质Ⅰ的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含聚电解质Ⅱ的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10和微囊出口11组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口12，气体通道13和气动泵阀14组成；
含聚电解质Ⅰ的反应相入口1经反应相通道2和微囊形成通道10与微囊出口11相连；连续相入口3经连续相通道4，液滴运输通道9和微囊形成通道10与微囊出口11相连；上层压缩空气入口5用于引入控制下层气路的压缩空气；含聚电解质Ⅱ的分散相入口6经分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9和微囊形成通道10与微囊出口11相连；下层压缩空气入口12与上层压缩空气入口5位置相对，经气体通道13与气动泵阀14相连；
芯片中四种流体的流动顺序为：反应相液体由反应相入口1进入芯片，先后经反应相通道2、微囊形成通道9到达微囊出口11；连续相液体由连续相入口3进入芯片，先后经过连续相通道4、液滴运输通道9、微囊形成通道10到达微囊出口11；分散相液体由分散相入口6进入芯片，先后经过分散相通道7、气动阀作用区8、液滴运输通道9、微囊形成通道10到达微囊出口11；压缩空气由上层空气入口5进入芯片，先后经过下层空气入口12、气体通道13到达气动泵阀14；其中的气动泵阀直径为0.5mm，其上壁比气体通道上壁薄250μm，可在气体鼓吹的情况下发生弹性形变，从而扰动上层液路中的分散相流体。
上层芯片反应相通道和微囊形成通道宽度150μm，微囊形成通道长1cm；连续相通道、分散相通道和液滴运输通道宽度为100μm，所有上层芯片通道高度均为150μm。下层芯片通道高度和宽度均为100μm；
该芯片是利用常规软光刻的方法而成的PDMS芯片。基于传统的流动聚焦型微流控液滴芯片，集成了下层的气动泵阀系统而制成；其中分散相通道7与连续相通道4汇聚到液滴运输通道9处形成流动聚焦的交叉口；气动泵阀14的位置在气动阀作用区8的正下方，通过泵阀14充气与静息两种状态周期性挤压分散相通道7，从而使分散相间断性地进入连续相中，稳定高效地形成水包水液滴；液滴携带的聚电解质Ⅱ在微囊形成通道10与反应相携带的聚电解质Ⅰ相遇，在分子扩散的作用下，两种具有相反电荷的聚电解质在液滴表面附近发生静电络合，从而可形成聚电解质微囊。
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